CA砂漿層破壞對無砟軌道結構受力特性影響

趙麗華，胡安澤，孟慶武，張吉松

(1.大連交通大學土木工程學院,大連 116028; 2.遼寧建筑職業學院,遼寧遼陽 111000)

引言

21世紀以來,中國軌道交通建設取得了舉世矚目的成就,為國民經濟快速提升做出了卓越貢獻。尤其高速鐵路建設經歷了一次跨越式的發展,在世界范圍內的認知度逐步提升。然而,隨著運營時間的不斷積累,作為鐵路車輛最主要和直接的承力結構,無砟軌道結構在服役過程中出現了突發性、群發性的病害[1]。據調查,運營10年的哈大高速鐵路CRTSⅠ型軌道結構的CA砂漿層出現了離縫、掉塊、水損害等病害[2]。CA砂漿的破損導致軌道板出現懸空現象,對軌道結構受力、變形產生不利影響,嚴重時會導致整體結構破壞,危及行車安全。因此,研究CA砂漿層破損程度對軌道結構的影響,對于分析軌道結構的服役壽命、確定大修周期,確保列車的運行安全具有重要意義。

關于CA砂漿層破壞現象、破壞機理、檢測技術及對軌道結構影響等方面,國內外學者開展了一系列研究工作。ROSE等[3]討論了CA砂漿在無砟軌道上的應用情況,以及應用過程中可能出現的開裂、離縫等病害。RUTHEFORD等[4]對CA砂漿與混凝土間的黏結強度進行了試件試驗,分析了層間剪切破壞問題。TANAKA等[5]應用紅外檢測技術對橋上無砟軌道的掉塊、開裂等破壞進行了測試,驗證了無損檢測方法的可行性。王森榮、劉鈺等[6-7]對既有線路無砟軌道的裂紋情況進行了調研和匯總,指出溫度和混凝土收縮是層間開裂的主要原因。朱勝陽[8]建立了砂漿層的統計損傷本構模型,探究了含裂縫情況下砂漿層的動態性能變化及損傷發展。孫魁[9]建立了車輛-軌道耦合動力學模型,模型中考慮了CA砂漿的離縫,通過正交試驗分析了離縫長度、寬度及高度對輪軌系統動力響應的影響。劉克旭[10]分別使用ANSYS及ABAQUS軟件建立了橋上CRTS I型板式軌道模型,探究橋上CRTS I型板式軌道結構存在離縫病害時的受力以及變形規律。張振[11]建立了列車-CRTS Ⅱ型板式軌道-路基耦合動力分析模型,考慮支撐層板端脫空和板中脫空兩種病害對軌道結構的影響。楊榮山等[12]建立了CRTS Ⅱ型板式軌道靜力計算模型,將模型整體視為等效縱向連續的彈性體,研究底座板后澆帶脫空長度對軌道結構的位移和受力影響。

綜上所述,現有板式軌道服役性能研究中,CA砂漿層掉塊對CRTS I型板式軌道動力性能影響研究還較少,且大多數軌道結構數值計算模型中,將CA砂漿層視為線彈性體進行定義,忽略CA砂漿自身的黏彈性,造成仿真計算與材料實際性能不一致。筆者前期研究表明[13-14],在CRTS I型板式軌道動力響應分析中,將CA砂漿層定義為黏彈性材料或彈性材料兩種屬性,當考慮5 s的激振力荷載作用時,軌道板和底座板力學響應的差異不可忽略,尤其CA砂漿層的應力幅值變化較大。當采用車輪移動荷載作用時,材料的本構關系不同對軌道板和底座板垂向位移的結果均有一定影響,因此在軌道結構動力分析中考慮CA砂漿層的黏彈性是必要的。張艷榮等[15]采用有限元軟件基于時間硬化模型,建立了考慮CA砂漿黏彈性的有限元模型,研究軌道板與CA砂漿層之間的脫粘問題,及其對軌道結構力學性能的影響。研究表明,黏彈性參數的加入有效提高了有限元分析的性能,可以更好地預測層間脫粘的發生和軌道結構的動力響應。徐浩[16]基于Burgers模型轉換的Prony級數表征CA砂漿的黏彈性,并在此基礎上分析了其損傷對軌道力學性能的影響。研究發現,CA砂漿層脫空對軌道的受力有不利影響。基于問題的復雜性,繼續開展CA砂漿層破損程度對軌道結構性能影響研究,具有重要的理論價值及工程指導意義。

基于修正Burgers模型轉換的Prony級數表征CA砂漿的黏彈性屬性,建立CRTS I型板式無砟軌道模型,研究車輪荷載作用下,CA砂漿層板端、板中不同區域出現不同程度的掉塊破壞時,軌道結構各部件的動力響應,為進一步確定無砟軌道結構的維修時機提供理論指導。

1 板式無砟軌道3D數值模型

1.1 模型參數

CRTSⅠ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、擋臺、擋臺樹脂、混凝土底座板及基礎組成。采用ABAQUS有限元軟件,首先建立無砟軌道各部件模型,賦予材料屬性,再由接觸關系、連接器等將各部件組合,形成了CRTSⅠ型板式無砟軌道三維數值模型。為提高計算精度,本研究建立了3塊軌道板長度的軌道模型,如圖1所示,模型各結構層主要參數如表1所示。

表1 軌道結構主要參數Table 1 Main parameters of track structure

圖1 軌道及車輪荷載模型Fig.1 Track and wheel load model

CA砂漿在材料屬性中考慮其黏彈性,在ABAQUS有限元軟件中,可以通過材料剪切松弛模量的Prony級數式(1)來實現材料的黏彈特征[17]。課題組前期開展了30 ℃條件下CA砂漿試件的室內壓縮蠕變試驗[18],獲得了應變-時間曲線,對試驗數據進行了多個黏彈性蠕變方程的參數擬合,通過對比分析,確定修正Burgers模型(式2)能更好地表征CA砂漿的蠕變特征[19]。擬合試驗數據獲得的修正Burgers模型參數結果如表2所示。

(1)

(2)

參照現有研究成果,計算修正Burgers模型的Prony級數表達式[20]。G1為初始剪切模量;ti為松弛時間;ai為相對剪切模量;CA砂漿剪切模量G0=0。通過對表2數據的參數轉換,獲得CA砂漿材料的Prony級數計算結果如表3所示。

表3 CA砂漿的Prony級數Table 3 Prony series of CA mortar

1.2 列車荷載

當列車在軌道行駛時,其計算荷載取最大值,CRH2型動車組定員100人時質量為56 t,此時平均軸重Pv=56.0×1 000×9.8/8=68 600 N,則最大計算載荷為

Pmax=Pv(1+kvd)

(3)

式中,Pmax為最大垂向載荷,N;Pv為平均軸重,N;kvd為彈簧撓度裕量系數,動車組客車轉向架中有油壓減振器,取kvd=0.5。在忽略輪對質量的條件下,每個車輪與鋼軌之間的平均最大壓力P=Pmax/2=51 450 N。模型中使用一個轉向架上的兩組輪對對軌道結構進行加載,建立軌道及列車移動荷載模型(圖1),輪對速度取哈大高速鐵路夏季運行速度300 km/h。

2 CA砂漿層掉塊簡化

CRTS I型板式無砟軌道是由多層結構復合而成,受環境以及列車荷載等因素的影響,CA砂漿層出現了多種病害。當軌道板與CA砂漿層間存在離縫破壞后,列車經過會使軌道結構間產生拍打作用,造成CA砂漿層頂掉塊破壞并逐漸擴展。本研究中僅考慮CA砂漿掉塊發生在層頂位置,固定掉塊高度5 mm(層高的1/10),并沿橫向貫通,探究在板端位置及板中位置發生不同長度掉塊時,軌道結構整體變形及受力的變化規律。

對于板端掉塊,其掉塊方向由一側板端開始向板中擴展,首次掉塊長度到達第一個扣件位置,距離板端0.287 5 m,此后以相鄰扣件間距的一半為單位進行擴展。對于板中掉塊,掉塊方向由板中開始向兩側板端擴展,首次掉塊為板中兩個扣件之間的長度,此后以相鄰扣件間距為單位均勻向兩側擴展。計算工況如下。

工況一:CA砂漿層板端掉塊長度L1分別為0,0.287 5,0.6,0.912 5,1.225,1.537 5,1.85,2.162 5,2.475 m;掉塊高度5 mm,發生在CA砂漿層頂位置。板端首次掉塊時(即L1=0.287 5 m)如圖2(a)所示。

圖2 CA砂漿層掉塊示意Fig.2 Schematic diagram of CA mortar layer falling blocks

工況二:CA砂漿層板中掉塊長度L2分別為0,0.625,1.25,1.875,2.5,3.125 m;掉塊高度5 mm,發生在CA砂漿層頂位置。板中首次掉塊時(即L2=0.625 m)如圖2(b)所示。

在ABAQUS中可以使用Model-change功能模擬部件掉塊,預先在模型中設定CA砂漿層掉塊的位置和長度,并在需要的分析中激活。

3 結果分析

3.1 CA砂漿無破壞時軌道結構受力與變形

對無破壞的板式無砟軌道數值模型施加車輪移動荷載,運算后獲得基于CA砂漿黏彈性的軌道結構變形及受力結果。查看軌道結構的垂向位移云圖如圖3(a)所示,中間塊軌道板和CA砂漿部件以及底座板的Mises應力云圖分別如圖3(b)～圖3(d)所示。提取各結構部件的位移及應力仿真計算結果,并與遂渝線、武廣客運專線實測及相關文獻仿真結果進行對比,如表4所示。

表4 仿真結果與其他文獻結果對比Table 4 Comparison of simulation results with other literature results

圖3 軌道結構位移及應力云圖(位移單位:m;應力單位:Pa)Fig.3 Displacement and stress cloud diagram of track structure (displacement unit: m; stress unit: Pa)

從圖3可以看出,軌道結構整體垂向位移中間板處最大;中間軌道板的Mises應力在扣件處有明顯增大效果,這是由于扣件對鋼軌作用造成的;CA砂漿層的四個板角位置應力較大,因此,在列車荷載長期作用下,板角處易發生破壞,實際工程中應尤其注意此處的養護和檢修;底座板外圍應力值偏大,這是由于車輪荷載對底座板外側產生了擠壓,是導致運營中的底座板邊緣掉塊碎裂的原因之一。由表4結果表明,CA砂漿定義為黏彈性時,有限元模型仿真計算結果與實測值和其他文獻仿真結果吻合度較好。其中,CA砂漿壓縮量小于實測值,但其值與其他文獻仿真結果相近。鋼軌下方軌道板垂向壓應力略大于實測值,這是由于模型計算中移動荷載的取值為計算荷載最大值。

通過上述對比分析可以看出,應用修正Burgers模型轉換Prony級數的方法來表征CA砂漿的黏彈性,用輪對模擬列車荷載,仿真計算結果顯示的最不利應力位置與實際結構破壞規律基本一致,仿真計算數值與實測值和其他文獻仿真結果能夠較好地吻合,表明本模型符合實際情況,可以用于分析CRTS I型板式無砟軌道結構的服役性能。

3.2 CA砂漿層板端掉塊對軌道結構的影響

3.2.1 對軌道板和底座板的影響

對CA砂漿板端不同長度掉塊(工況一)的軌道模型進行加載計算。為對比分析,選擇鋼軌下方處,第1、2扣件中點位置(距離板邊0.6 m)各部件層頂節點的計算結果,提取軌道板和底座板的加速度、位移、縱橫向應力峰值,繪制CA砂漿層板端掉塊長度與軌道結構動力響應關系曲線如圖4所示。

圖4 CA砂漿層板端掉塊長度對軌道結構的影響Fig.4 Effect of the length of CA mortar layer plate falling block on track structure

由圖4(a)和圖4(b)可以看出,隨著CA砂漿層掉塊長度增加,軌道板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸增大,底座板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸減小;表明CA砂漿層板端掉塊對軌道板產生了不利影響,增加了軌道板振動頻率及垂向位移振動幅值,而底座板的振動頻率和幅值卻減小。當CA砂漿層板端掉塊長度達到0.912 5 m以后,軌道板垂向加速度迅速增長,掉塊長度達到2.475 m(即薄層掉塊長度達到板長一半)時,軌道板垂向加速度、垂向位移峰值分別增加了35.6%和20.2%。

圖4(c)結果表明,軌道板的橫向拉應力受CA砂漿層板端掉塊長度的影響較小;而縱向拉應力則先減小后增大,這是由于軌道板的支承突然減弱,讀取點位置距離板邊較近,導致局部位置出現應力減小,當掉塊長度達到1.225 m以后,軌道板出現較長一段支撐層變弱,軌道板讀取點位置的縱向拉應力快速增長,掉塊長度達到2.475 m時,軌道板縱向拉應力從284.06 kPa增大到471.13 kPa,增大幅度為65.9%,CA砂漿層板端掉塊對軌道板縱向拉應力影響顯著。

圖4(d)結果表明,底座板的橫向拉應力和縱向拉應力均先增大后逐漸減小,這是由于CA砂漿層出現較小長度掉塊時,軌道板對底座板的拍打作用,導致底座板應力增加;隨著CA砂漿掉塊長度增加,減弱了荷載的向下傳遞,因此底座板的應力呈減小趨勢。

3.2.2 對CA砂漿層的影響

當列車經過掉塊區域時,將形成較大的軌道不平順,產生沖擊作用,從而使掉塊區域邊緣的CA砂漿承受的垂向壓應力急劇增大。提取鋼軌下方對應CA砂漿掉塊邊緣處的壓應力,與無掉塊時相同位置計算結果進行對比,如表5所示。

表5 CA砂漿板端掉塊區域邊緣處壓應力與無掉塊時對比結果Table 5 Comparison results of compressive stress at the edge of the CA mortar board end falling block area with that without falling block

從表5可以看出,隨著掉塊長度增大,CA砂漿層掉塊邊緣處的垂向壓應力急劇增大。當掉塊長度為0.912 5 m時,壓應力的增長幅度達到了87.2%;掉塊長度達到2.475 m時,CA砂漿層的垂向壓應力達到了60.87 kPa,雖然此時CA砂漿的垂向壓應力仍低于其抗壓強度,但在列車荷載的往復加載下,CA砂漿層將繼續破損,抗壓強度逐漸降低,最終導致CA砂漿層出現結構性破壞,縮短軌道結構的使用壽命。

3.3 CA砂漿層板中掉塊對軌道結構的影響

3.3.1 對軌道板和底座板的影響

對CA砂漿板中掉塊(工況二)的軌道模型進行加載計算。為對比分析不同板中掉塊長度對軌道結構的影響,在車輪荷載通過軌道的過程中,讀取中截面鋼軌下方軌道板和底座板層頂對應節點的數值計算結果,各部件提取點位置的垂向加速度、垂向位移及縱橫向應力峰值如圖5所示。

圖5 CA砂漿層板中掉塊長度對軌道結構的影響Fig.5 The effect of falling block length on track structure in CA mortar layer board

圖5(a)和圖5(b)結果表明,隨著CA砂漿層掉塊長度增加,軌道板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸增大,底座板的垂向加速度和垂向位移峰值逐漸減小;表明CA砂漿層板中掉塊對軌道板產生了不利影響,增加了軌道板振動頻率及垂向位移振動幅值,當板中掉塊長度為3.125 m時,軌道板垂向加速度、垂向位移峰值分別增大25.4%和8.4%。

圖5(c)結果表明,軌道板的橫向拉應力和縱向拉應力會隨板中掉塊長度的增大而增大,這是因為軌道板失去原有CA砂漿對其的支撐作用,豎向變形增加,從而承受的縱橫向拉應力增大;其中軌道板縱向拉應力變化幅度顯著,當板中掉塊長度超過1.25 m以后,軌道板的縱向拉應力開始快速增長,掉塊長度達到3.125 m時,軌道板縱向拉應力增大幅度為1 051.6%。

圖5(d)結果表明,隨著CA砂漿掉塊長度的增加,底座板的橫向拉應力和縱向拉應力逐漸減小,這是因為CA砂漿的掉塊減弱了荷載的向下傳遞。

3.3.2 對CA砂漿層的影響

當列車經過板中掉塊區域時,與板端掉塊類似,掉塊區域邊緣與軌道板接觸處的CA砂漿層的垂向壓應力急劇增大,提取鋼軌下方對應CA砂漿掉塊邊緣處壓應力計算結果,與無掉塊時數值進行對比分析,結果如表6所示。

表6 CA砂漿板中掉塊區域邊緣處壓應力與無掉塊時對比結果Table 6 Comparison results of compressive stress at the edge of the falling block area in CA mortar board with that without falling block

從表6可以看出,CA砂漿層掉塊邊緣處的垂向壓應力急劇增大,且隨著掉塊長度增大,應力增長幅度越大。當掉塊長度為1.25 m時,壓應力的增長幅度達到了81.1%;當掉塊長度達到3.125 m時,CA砂漿層的垂向壓應力達到了59.32 kPa,增大幅度為262.1%。與板端發生掉塊情況類似,雖然此時CA砂漿的垂向壓應力仍低于其抗壓強度,但在列車荷載作用下,CA砂漿層同樣會繼續破損。

4 結論

本文建立了基于CA砂漿黏彈性的CRTSⅠ型板式無砟軌道數值計算模型,通過對CA砂漿層不同程度的板端、板中掉塊破壞的模擬,獲得車輪荷載作用下,砂漿層不同掉塊長度對軌道結構各部件動力響應的影響規律,得出以下結論。

(1)應用修正Burgers模型轉換Prony級數的方法來表征CA砂漿的黏彈性,可用于分析CRTS I型板式無砟軌道結構的服役性能。

(2)隨著CA砂漿層的板端及板中掉塊區域增大,軌道板的垂向位移、垂向加速度和縱向拉應力均顯著增大,底座板垂向位移及受力均減小,掉塊破壞對軌道板的影響大于對底座板。掉塊區域邊緣位置的CA砂漿層的壓應力急劇增大,將進一步加快掉塊的擴展,容易引起軌道結構破壞的惡性循環。

(3)軌道板與CA砂漿層存在離縫,并產生薄層破壞時,應引起重視。車輪荷載作用下,當CA砂漿層板端薄層掉塊達到0.912 5 m,板中掉塊達到1.25 m時,軌道板的振動和CA砂漿層的壓應力將顯著增大,根據實際情況,有針對性地對CA砂漿層進行檢修,避免軌道結構破壞快速擴展。